第三章 高层建筑结构荷载

第三章高层建筑结构荷载2/5/2023第三章高层建筑结构荷载§3.1竖向荷载的计算§

3.2风荷载§

3.3地震作用思考题§3.0前言2/5/2023高层建筑结构在设计使用年限以内可能承受的主要作用有荷载和其他非荷载因素。荷载可以分为恒载和活荷载，活荷载又可以分为楼面活荷载、屋面活荷载、雪荷载和风荷载。非荷载因素主要有地震作用、温度作用和混凝土的收缩、徐变等。§3.0前言2/5/2023§3.0前言

1.竖向荷载及作用竖向荷载包括建筑物的自重，楼面屋面活荷载、雪荷载、设备设施重量及非结构构件重量等。在地震区，还有竖向地震作用。竖向荷载主要使墙、柱产生轴向力，与房屋高度一般为线性关系，对高层建筑的侧移影响较小，且计算简单，与一般多层房屋并无区别。

高层建筑所受的荷载作用按作用方式可分为两类:2/5/2023

2.水平荷载及作用一般主要有风荷载和地震作用。高层建筑以水平作用为主，因它直接影响结构设计的合理性和经济性。水平力主要使墙、柱产生弯矩，弯矩与房屋高度呈非线性关系，且水平力对高层建筑的侧移影响大，计算比较复杂。本章主要介绍在高层建筑结构设计中起主导作用的水平荷载——风荷载和地震作用的计算方法。§3.0前言高层建筑所受的荷载作用按作用方式可分为两类:2/5/2023竖向荷载可分为恒荷载(永久荷载)和活荷载(可变荷载)。一、恒载恒载是指由结构物内部每一构件的重量所引起的静力。引起恒载的力包括房屋的承重构件——屋面、楼面、墙体、梁柱等构件自重和找平层、保温层、防水层、装修材料层等重量以及固定设备重。所有这些构件的综合重量组成房屋的恒载。§3.1竖向荷载的计算2/5/2023§3.1竖向荷载的计算永久荷载标准值可按结构构件的设计尺寸和材料单位体积的自重计算确定，对常用材料和构件的自重可从《建筑结构荷载规范》附表中查得。对某些自重变异较大的材料和构件，考虑到结构的可靠度，在设计时应根据该荷载对结构的有利或不利影响，取其自重上限值或下限值。固定设备重由有关专业资料提供。确定材料的重量及结构物的恒载似乎是件简单的事情，但是恒载的估算可能有15%—20%或者更大的误差。因为在初步设计阶段，结构设计者不可能确切预估还没有选定的建筑材料的重量。

2/5/2023§3.1竖向荷载的计算二、活载活荷载是变化的和较难预测的。它不仅随时间发生变化，而且也是位置的函数。变化可能是短期的也可能是长期的，这就使得活荷载几乎不可能用静力方式来预测。然而，通过经验、调查研究和实践，已制定出各种使用荷载的建议值。荷载规范以表格形式列出了这些荷载的数值，其特点是引用了概率及数理统计理论以考虑建筑物存在期间最大可能的荷载情况。楼面活荷载屋面活荷载雪荷载施工活荷载活荷载的最不利布置2/5/2023风荷载是指空气流动形成的风遇到建筑物时在建筑物表面所产生的一种压力和吸力。风载的大小、变化规律和分布情况非常复杂，除与风速、风向有关外，还与建筑物的高度、形状和表面状况有关，一般应进行风洞试验加以确定。风荷载的概念§3.2风荷载前言2/5/2023风作用在建筑物上，使建筑物受到双重的作用：一方面风力使建筑物受到一个基本上比较稳定的风压力；另一方面风又使建筑物产生风力振动(风振)。由于这种双重作用，建筑物既受到静力的作用，又受到动力的作用。风载就其对高层建筑的作用来说是属于一种随机性的动力荷载，它将使建筑物产生动力效应，引起建筑物振动，但房屋设计中一般把它看成静荷载。前言§3.2风荷载2/5/2023风对高层建筑结构的作用具有如下特点：

(1)、风力作用与建筑物的外形直接有关，圆形与正多边形受到风力较小，对抗风有利；相反，平面凹凸多变的复杂建筑物受到的风力较大，而且容易产生风力扭转作用，对抗风不利。前言§3.2风荷载2/5/2023

(2)、风力受建筑物周围环境影响较大，处于高层建筑群中的高层建筑，有时会出现受力更为不利的情况。例如．由于不对称遮挡而使风力偏心产生扭转；相邻建筑物之间的狭缝风力增大，使建筑物产生扭转等等。在这些情况下要适当加大安全度。前言§3.2风荷载2/5/2023

(3)、风力作用具有静力作用与动力作用两重性质。

(4)、风力在建筑物表面的分布很不均匀，在角区和建筑物内收的局部区域，会产生较大的风力。

(5)、与地震作用相比，风力作用持续时间较长，其作用更接近于静力荷载。但在建筑物的作用期间出现较大风力的次数较多。前言§3.2风荷载2/5/2023(6)、由于有较长期的气象观测，大风的重现期很短，所以对风力大小的估计比地震作用大小的估计较为可靠，因而抗风设计也具有较大的可靠性。前言§3.2风荷载2/5/2023到目前为止，尚没有高层建筑结构因强风而倒塌破坏的事例，但是在台风作用下建筑物留下显著的残余变形的事例发生过，至于围护结构破坏则是经常发生的。据统计，全世界每年因风灾产生的损失大于围地震而产生的损失。前言§3.2风荷载2/5/2023总的来说，风力对建筑物会产生如下的结果：

(1)、强风会使围护结构和装修产生损坏；

(2)、风力作用会使结构开裂或留下较大的残余变形；

(3)、风力使建筑物产生过大的摇晃，居住者感到不适；

(4)、长期风力作用使结构产生疲劳。前言§3.2风荷载2/5/2023在高层建筑的抗风设计中，应考虑下列问题：

(1)、保证结构有足够的承载力，能可靠地承受风荷载作用下产生的内力；

(2)、结构必须具有足够的刚度，控制高层建筑在风力作用下的位移，保证良好的居住和工作条件；前言§3.2风荷载2/5/2023

(3)、选择合理的结构体系和建筑体型。采用较大的刚度可以降低风振的影响；圆形、正多边形的平面可以减少风压的数值；

(4)、尽量采用对称的平面形状和对称的结构布置，减少风力偏心产生的扭转影响；前言§3.2风荷载2/5/2023

(5)、外墙(尤其是玻璃幕墙)、窗玻璃、女儿墙及其他围护和装饰构件必须有足够的承载力，并与主体结构可靠地连接，防止产生建筑物的局部损坏。前言§3.2风荷载2/5/2023

风荷载也可按荷载规范规定的公式进行计算。规范规定垂直作用在建筑物表面单位面积上的风荷载标准值为：式中：——基本风压值，单位是kN/m2

——风载体型系数

——风压高度变化系数

——z高度处风振系数一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载2/5/20231、基本风压值w0

基本风压值w0与风速大小有关。一般可近似按照v02/1600计算风压值，v0是风速（m/s）。

荷载规范给出了各地区、各城市的基本风压值，它是以该地区（城市）空旷平坦地面上离地10m处，重现期为50年（或100年）的10分钟平均最大风速v0

（m/s）作为计算基本风压值作为的依据的。荷载规范给出的w0

适用于一般的多层建筑。一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载2/5/20232、风压高度变化系数μz风速由地面处为零沿高度按曲线逐渐增大，直至距地面某高度处达到最大值，上层风速受地面影响小，风速较稳定。不同的地表面粗糙度使风速沿高度增大的梯度不同。荷载规范给出了风压高度变化系数，用以修正基本风压值。风速的变化与地貌及周围环境有关。一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载2/5/2023规范把地面粗糙度分为四类：A类、B类、C类、D类

A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；

B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；

C类指有密集建筑群的城市市区；

D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区；

一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载2/5/2023地面粗糙度示意图一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载2/5/2023风压高度变化系数μz离地面或海平面高度(m)地面粗糙度类别ABCD510152030405060708090100150200250300350400≥4501.171.381.521.631.801.922.032.122.202.272.342.402.642.832.993.123.123.123.121.001.001.141.251.421.561.671.771.861.952.022.092.382.612.802.973.123.123.120.740.740.740.841.001.131.251.351.451.541.621.702.032.302.542.752.943.123.120.620.620.620.620.620.730.840.931.021.111.191.271.611.922.192.452.682.913.12一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载2/5/2023说明:⑴、山区高层建筑高度变化系数μz的修正:

现行国家标准《建筑结构荷载规范》是按地形条件，对风荷载给出地形系数加以修正。对于山区的建筑物，风压高度变化系数可按平坦地面的粗糙度类别，还应考虑地形条件的修正。修正系数η分别按下述规定采用:一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载2/5/2023①、对于山峰和山坡，其顶部B的修正系数一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载式中：tanα——山峰或山坡在迎风面一侧的坡度，当tanα>0.3时，取tanα=0.3；

K——系数，对山峰取3.2，对山坡取1.4；2/5/2023

H——山顶或山坡全高(m);z——建筑物计算位置离建筑物地面的高度(m)，当z>2.5H时，取z=2.5H。对于山峰和山坡的其他部位，可如上图所示，取A,C处的修正系数ηＡ、ηＣ为1,AB间和BC间的修正系数按η值线性插值确定。

一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载②、山间盆地、谷地等闭塞地形，η=0.75—0.85；对于与风向一致的谷口、山口，η=1.20—1.502/5/2023⑵、离岸海岛上高层建筑物的μz修正:

远离海岸的海岛上的高层建筑物，其风压高度变化系数可按A类粗糙度类别，除由规范中相应的表确定外，还应考虑下表中给出的修正系数。一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载2/5/20233、风载体型系数μs风载是随建筑物的体型、尺度、表面位置、表面状况而改变。风对建筑物的表面的作用力并不等于基本风压值。风对建筑物的作用力的大小和方向可以通过实测或风洞试验得到。当风流动经过建筑物时，对建筑物不同的部位会产生不向的效果。有压力，也有吸力。空气流动还会产生涡流，对建筑物局部会产生较大的压力或吸力。

一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载2/5/2023

风载体型系数是指实际风压与基本风压的比值，正值是压力，负值是吸力。规则高层建筑体型系数可由荷载规范查得，书上也给出了一些常用截面的风载体型系数。一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载2/5/20234、风振系数βs

风的作用是不规则的，风压随着风速、风向的紊乱变化而不停地改变。实际风压在平均风压的上下波动。一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载2/5/2023平均风压使建筑物产生一定侧移，而波动风压会使建筑物在平均侧移附近左右摇摆，从而产生动力效应。一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载2/5/2023风振系数反映了风载对结构产生动力反应的影响。风振系数与结构的自振周期、阻尼、振型以及脉动风压特性、下垫层性质等因素有关。一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载2/5/2023式中:φz——基本振型z高度处振型系数，当刚度和质量沿高度分布均匀时，可近似用z/H代替振型系数；

ξ——脉动增大系数；

ν——脉动影响系数；

μz——风压高度变化系数。高层建筑的风振系数按下式计算：一、单位面积上的风荷载的标准值§3.2风荷载2/5/2023计算风荷载的总体效应时，要用建筑物承受的总风荷载，它是各个表面承受风力的合力，并且是沿高度变化的分布荷载，用于计算抗侧力结构的侧移及各构件内力。各表面风荷载的合力作用点，即为总风荷载的作用点。风1、总体风荷载二、总体风荷载与局部风荷载§3.2风荷载2/5/2023式中：n—建筑外围表面数；

Bi—第i个表面的宽度；

μsi

—第i个表面的风载体型系数;

αi—第i个表面法线与总风荷载作用方向的夹角。总体风荷载的计算公式:二、总体风荷载与局部风荷载§3.2风荷载2/5/2023注意:

公式中计算得到的风荷载的合力值是线荷载，单位是kN／m。

式中的体型系数的正负号，表示每个表面是风压力还是风吸力，以便在求合力时作矢量相加。

各表面风荷载的合力作用点，即为总风荷载的作用点。设计时，将沿高度分布的总体风荷载的线荷载换算成集中作用在各楼层位置的集中荷载，再计算结构的内力及位移。二、总体风荷载与局部风荷载§3.2风荷载2/5/2023

局部风荷载用于计算结构局部构件或围护构件或围护构件与主体的连接，如水平悬挑构件、幕墙构件及其连接件等。实际上风压在建筑物表面上是不均匀的，在某些风压较大的部位，要考虑局部风载对某些构件的不利作用。此时，采用局部风荷载体型系数。2、局部风载二、总体风荷载与局部风荷载§3.2风荷载2/5/2023

在迎风面以及房屋侧面宽度为1/6墙面宽度的角隅部分，要验算外墙围护结构强度及连接强度。体型系数取为±1.5。水平风力侧风面侧风面迎风面二、总体风荷载与局部风荷载§3.2风荷载2/5/2023

建筑物外侧的阳台、雨蓬、遮阳板等悬挑构件，应验算向上漂浮的风载，当风载超过自重时，悬挑构件会出现反向弯矩，局部向上体型系数取2.0。二、总体风荷载与局部风荷载§3.2风荷载2/5/2023

验算围护构件及其连接的承载力时，可按下列规定采用局部风压体型系数:⑴、外表面正压区按规范规定采用；负压区按下列规定取值：

——对墙面，取-1.0；

——对墙角边，取-1.8；

——对屋面局部部位(周边和屋面坡度大于100的屋脊部位);——对檐口、雨篷、遮阳板等突出构件，取-2.0。二、总体风荷载与局部风荷载§3.2风荷载2/5/2023注：对墙角边和屋面局部部位的作用宽度为房屋宽度的0.1或房屋平均高度的0.4，取其小者，但不小于1.5m。⑵、内表面对封闭式建筑物，按外表面风压的正负情况取-0.2或0.2。二、总体风荷载与局部风荷载§3.2风荷载2/5/2023§3.2风荷载三、横风向风振

气流绕过圆形截面的杆件而发生漩涡脱落的现象也经常在工程中出现，如下图所示。气流在BC间表面某点S由于受摩擦而速度停滞，产生漩涡，并在外部气流的影响下，以一定的周期脱落，形成涡街。当脱落频率与结构横向自振周期接近时，结构会产生严重的共振。设计时对圆形截面的结构，应根据雷诺数Re的不同情况进行横风向风振的校核。2/5/2023

风是紊乱的随机现象，前面我们讲得风荷载的计算适用于大多数体型较规则、高度不太大的单幢高层建筑。目前还没有有效的预测体型复杂、高柔建筑物风作用的计算方法，而风洞试验是一种有效地手段。摩天大楼可能造成很强的地面风，对行人和商店有很大影响；当附近还有别的高层建筑时，群体效应对建筑物和建筑物之间的通道也会造成危害(见下图)，这些都可以通过风洞试验得到对设计有用的数据。

四、关于风洞试验§3.2风荷载2/5/2023风荷载对高层建筑的影响§3.2风荷载四、关于风洞试验2/5/2023下列高层建筑宜采用风洞试验确定风荷载：(1)、高度大于200m的高层建筑；(2)、高度大于150m且有下列情况之一时的高层建筑

——平面形状不规则、立面形状复杂

——或立面开洞或连体建筑；§3.2风荷载四、关于风洞试验2/5/2023(3)、规范或规程中没有给出风载体型系数的建筑物：(4)、周围地形和环境复杂，邻近有高层建筑时，宜考虑互相干扰的群体效应，一般可将单个建筑物的体型系数乘以相互干扰增大系数，缺乏该系数时宜通过风洞试验得出。§3.2风荷载四、关于风洞试验2/5/2023

风洞试验采用的模型通常有三类：(1)、刚性压力模型；(2)、气动弹性模型；(3)、刚性高频力平衡模型。§3.2风荷载四、关于风洞试验2/5/2023例：计算具有下图所示平面的框架-剪力墙结构的风荷载及合力作用位置。18层房屋总高58m，H／B＝1.72,D类地区，地区标准风压=0.70kN／m2。风向为图中箭头所示方向。五、计算实例§3.2风荷载2/5/2023§3.2风荷载五、计算实例2/5/2023解：每个表面建筑物高度每米的风荷载为：首先计算，按8块表面积分别计算风力（压力或吸力）在y方向的投影值，投影后与y坐标正向相同者取正号，反之取负号。表面序号在图中○内注明，计算如表1，xi为wi到原点O的距离。§3.2风荷载五、计算实例2/5/2023466.80∑29.16∑6.33.02.1016×0.5×0.7865.0413.104.960.528.38×0.5×0.7741.4622.791.826×0.5×0.76-25.0823.89-1.050.5-6×0.5×0.75146.4329.484.960.528.38×0.5×0.74-55.6233.98-1.64-6×0.45×0.7362.7529.882.100.56×1.0×0.72225.5214.1915.89

128.38×0.8×0.71序号表1§3.2风荷载五、计算实例2/5/2023风合力作用点距离原点：高宽比1.72，大于1.5，要考虑风振影响，以下计算风振系数βz

所需各系数。框架-剪力墙结构基本周期取0.07N，N为层数。

T=0.07×18=1.26S

查表3-3，得ξ=1.45D类地区，查表3-4，得υ=0.43§3.2风荷载五、计算实例2/5/2023振型系数简化为直线，令z=Hi，即φz=Hi/H，则计算结果见表2§3.2风荷载五、计算实例2/5/202369.166.865.063.060.959.257.454.852.850.748.446.143.440.537.634.431.524.82.372.292.232.162.092.031.971.881.811.741.661.581.491.391.291.181.080.851.751.711.681.651.611.581.551.501.461.421.371.321.271.201.131.050.980.800.620.580.550.510.480.450.420.380.350.320.290.260.220.190.160.130.100.055854514845423936333027242118151295181716151413121110987654321分布图形βzμzμzHi（m）层数69.1kN/m层数63.052.840.531.524.8181510521表2§3.2风荷载五、计算实例课本上按B类地区取2/5/2023

地震时，由于地震波的作用产生地面运动，通过房屋基础影响上部结构，使结构产生振动，称为结构的地震反应。地震反应包括加速度、速度和位移反应。地震波可能使房屋产生竖向振动、水平振动和扭转振动。地震作用与地面运动特性有关：地面运动的特性可以用三个特征量来描述：强度(由振幅值大小表示)、频谱和持续时间。这三个量也被称为地震动三要素。§3.3

地震作用一、地震作用的特点2/5/2023

地震波可以分解为六个振动分量：两个水平分量，一个竖向分量和三个转动分量。对建筑结构造成破坏的，主要是水平振动和扭转振动。一、地震作用的特点§3.3

地震作用2/5/2023

地面水平振动使结构产生移动和摇摆，扭转振动使结构扭转，后者对房屋破坏性很大，但目前尚无法计算，主要采用概念设计方法加大结构的抵抗能力，以减小破坏程度。地面竖向振动只在震中附近的高烈度区影响房屋结构，因此，大多数结构的设计计算主要考虑水平地震作用。一、地震作用的特点§3.3

地震作用2/5/2023

地面运动的特性除了与震源所在位置、深度、地震发生原因、传播距离等因素有关外，还与地震传播经过的区域和建筑物所在区域的场地土性质有密切关系。观测表明，不同性质的土层对地震波包含的各种频率成分的吸收和过滤效果不同。地震波在传播过程中，低频成分振动传播得更远。此外，当深层地震波传到地面时，土层又会将振动放大，土层性质不同，放大作用也不同，软土的放大作用较大。一、地震作用的特点§3.3

地震作用2/5/2023地震作用与地基土的卓越周期有关：当地震波的卓越周期与建筑物自振周期相近时，会引起类共振，结构的地震反应加剧。地震作用与建筑本身的动力特性有关：建筑物动力特性是指建筑物的自振周期、振型与阻尼，它们与建筑物的质量和结构的刚度有关。地震作用与建筑本身的质量、刚度有关：通常质量大、刚度大、周期短的建筑物在地震作用下的惯性力较大；刚度小、周期长的建筑物位移较大，但惯性力较小。一、地震作用的特点§3.3

地震作用2/5/2023§3.3

地震作用一、地震作用的特点模拟地震2/5/2023广州电视塔的震动影响§3.3

地震作用一、地震作用的特点2/5/2023§3.3

地震作用一、地震作用的特点广州电视塔的震动影响2/5/2023小震：50年内超越概率约为63.2％，称众值烈度或多遇地震；中震：50年内超越概率约为10％，称基本烈度或设防烈度；大震：50年内超越概率约为2％-3％，称为罕遇地震。1、小震、中震、大震二、抗震设防准则及基本方法§3.3

地震作用2/5/20232、抗震设防的三水准目标按《规范》进行抗震设计的建筑，其抗震设防目标是：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用(简称“小震不坏”，俗称第一水准)；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用(简称“中震可修”，俗称第二水准)；当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏(简称“大震不倒”，俗称第三水谁)。二、抗震设防准则及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023

所以，抗震设防目标可简述为“小震不坏，中震可修，大震不倒”，即在小震作用下，房屋应该不需修理仍可继续使用；在中震作用下，允许结构局部进入屈服阶段，经过一般修理仍可继续使用；在大震作用下，构件可能严重屈服，结构破坏，但房屋不应倒塌、不应出现危及生命财产的严重破坏。二、抗震设防准则及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023

抗震设防目标和要求，是根据一个国家的经济力量、科学技术水平、建筑材料和设计、施工现状等综合制订的，并会随着经济和科学水平的发展而改变。二、抗震设防准则及基本方法§3.3

地震作用2/5/20233、抗震设计的两阶段方法

为了实现三水准抗震设防目标，抗震设计采取二阶段方法。第一阶段为结构设计阶段。在这阶段，用相应于该地区设防烈度的小震作用计算结构的弹性位移和构件内力，并进行结构变形验算，用极限状态方法进行截面承载力验算，按延性和耗能要求进行截面配筋及构造设计，采取相应的抗震构造措施。经过第一阶段设计，结构应该实现小震不坏，中震可修，大震不倒的目标。二、抗震设防准则及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023第二阶段为验算阶段。对地震时抗震能力较低、容易倒塌的高层建筑结构(如纯框架结构)以及抗震要求较高的建筑结构(如甲类建筑)，要进行易损部位(薄弱层)的塑性变形验算，并采取措施提高薄弱层的承载力或增加变形能力，使薄弱层的塑性水平变值不超过允许的变位。这一阶段设计主要是对甲类建筑和特别不规则的结构，用与该地区设防烈度相应的大震作用进行弹塑性变形验算，以检验是否达到了大震不倒的目标。二、抗震设防准则及基本方法§3.3

地震作用2/5/20233、抗震设防范围

我国最新修订的《建筑抗震设计规范》GB50011—2001(以下简称《抗震规范》)规定，在基本烈度为6度及6度以上地区内的建筑结构，应当抗震设防。现行《抗震规范》适用于设防烈度为6—9度地区的建筑抗震设计。10度地区建筑的抗震设计，按专门规定执行。我国设防烈度为6度和6度以上地区约占全国总面积的60％。二、抗震设防准则及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023

某地区、某城市的建筑设防烈度是国家地震局(1990)颁发的《中国地震烈度区划图》上规定的基本烈度，也可采用抗震设防区划提供的地震动参数进行设计，《抗震规范》规定的抗震设防烈度和基本地震加速度值的对应关系见下页表格所示。二、抗震设防准则及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023抗震设防烈度6789基本地震加速度0.05g0.10g0.15g0.20g0.30g0.40g抗震设防烈度和基本地震加速度值的对应关系二、抗震设防准则及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023

我国《抗震规范》又按建筑物使用功能的重要性分为甲、乙、丙、丁四个抗震设防类别。

①、甲类建筑：甲类建筑应属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。4、抗震设防类别二、抗震设防准则及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023②、乙类建筑：乙类建筑应属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。如医疗、广播、通讯交通、供电、供水、消防和粮食等工程及设备所使用的建筑。③、丙类建筑：丙类建筑属于除甲、乙、丁类以外的一般建筑。④、丁类建筑：丁类建筑属于抗震次要建筑，一般指地震破坏不易造成人员伤亡和较大经济损失的建筑。二、抗震设防准则及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023①、甲类建筑

地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定；抗震措施：当抗震设防烈度为6—8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求：当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。5、抗震设防标准二、抗震设防准则及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023②、乙类建筑

地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施：一般情况下，当抗震设防烈度为6—8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。对较小的乙类建筑，当其结构改用抗震性能较好的结构类型时，允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施。二、抗震设防准则及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023③、丙类建筑地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要求。④、丁类建筑一般情况下，地震作用仍应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为6度时不应降低。抗震设防烈度为6度时，除规范有具体规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。二、抗震设防准则及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023

计算地震作用的方法可分为静力法、反应谱方法(拟静力法)和时程分析法(直接动力法)三大类。

我国(抗震规范)要求在设计阶段按照反应谱方法计算地震作用，少数情况才需要采用时程分析法进行补充计算。规范要求进行第二阶段验算的建筑也是少数，第二阶段验算采用弹塑性静力分析或弹塑性时程分析方法。

三、抗震计算理论§3.3

地震作用2/5/20231、反应谱理论反应谱理论是采用反应谱确定地震作用的理论。20世纪40年代开始，世界上结构抗震理论开始进入反应谱理论阶段，是抗震理论的一大飞跃，到20世纪50年代末已基本取代了静力理论。三、抗震计算理论§3.3

地震作用2/5/2023由于地震的作用，建筑物产生位移、速度和加速度。我们把不同周期下建筑物反应值的大小画成曲线，这些曲线称为反应谱。一般来说，随周期的延长，位移反应谱为上升的曲线；速度反应谱比较恒定；而加速度的反应谱则大体为下降的曲线。三、抗震计算理论§3.3

地震作用2/5/2023一般说来，设计的直接依据是加速度反应谱。反应谱是指不同周期的单自由度体系在同一地震波下的最大反应。同一次地震下不同结构的加速度反应记为Sa，Sa

与结构的自振周期T有关。单自由度体系地震反应三、抗震计算理论§3.3

地震作用2/5/2023某次地震的Sa-T关系曲线，称为该次地震的加速度反应谱。如果结构的阻尼比ζ不同，得到的地震的加速度反应谱也不同，阻尼比增大，谱值降低。单自由度体系加速度反应谱三、抗震计算理论§3.3

地震作用2/5/2023加速度反应谱在周期很短时有一个上升段(高层建筑的基本自振周期一般都在这一区段)，当建筑物周期与场地的特征周期接近时，出现峰值，随后逐渐下降。出现峰值时的周期与场地的类型有关：Ⅰ类场地约为0.1—0.2s；Ⅱ类场地约为0.3—0.4s；Ⅲ类场地约为0.5—0.6s；Ⅳ类场地约为0.7—1.0s。三、抗震计算理论§3.3

地震作用2/5/2023

不同性质土壤的场地上记录的地震波作出的反应谱不同。卓越周期是指地震功率谱中能量占主要部分的周期。硬土中反应谱的峰值对应的周期较短，即硬土的卓越周期短。软土的反应谱峰值对应的周期较长，即软土的卓越周期长，且曲线的平台(较大反应值范围)较硬土大，说明长周期结构在软土地基上的地震作用更大。三、抗震计算理论§3.3

地震作用2/5/2023目前我国抗震设计都采用加速度反应谱计算地震作用。取加速度反应绝对最大值计算惯性力作为等效地震荷载，即

地震系数动力系数地震影响系数三、抗震计算理论§3.3

地震作用2/5/2023动力系数β与，结构周期T及阻尼比ζ有关，β-T曲线，称为β谱。通过计算发现，不同地震波得到的βmax值相差并不太多，平均在2.25左右。

因此,可以从不同地震波求出的β-T曲线取具有代表性的平均曲线作为设计依据，称为标准β谱曲线。三、抗震计算理论§3.3

地震作用2/5/2023我国设计采用α曲线，即kβ曲线，它可以同时表达地面运动强烈程度。由于同一烈度的k值为常数,α谱曲线的形状与β谱曲线形状是相同的，α曲线又称为地震影响系数曲线。三、抗震计算理论§3.3

地震作用2/5/20232、直接动力理论直接动力理论又称时程分析法，它是一种动力计算方法，用地震波(加速度时程)作为地面运动输入，直接计算并输出结构随时间而变化的地震反应。它既考虑了地震动的振幅、频率和持续时间三要素，又考虑了结构的动力特性。计算结果可得到结构地震反应的全过程，包括每一时刻的内力、位移、屈服位置、塑性变形等，也可以得到反应的最大值，是一种先进的直接动力计算方法。三、抗震计算理论§3.3

地震作用2/5/2023采用时程分析法的建筑物设防烈度7度和8度Ⅰ、Ⅱ类场地8度Ⅲ、Ⅳ类场地9度建筑物高度>100m>80m>60m

采用时程分析法所求得的底部剪力值小于底部剪力法或振型分析反应谱法所求得的底部剪力值的80%时，至少按80%取用。三、抗震计算理论§3.3

地震作用2/5/2023振型分解法是高层建筑结构进行地震作用的主要方法。底部剪力法只适用于高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构。世界各国抗震规范也大抵如此。三、抗震计算理论§3.3

地震作用2/5/2023对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。鉴于计算机技术的强大能力和普及的事实，同时考虑到高层建筑结构的相对重要性，建议高层建筑结构抗震计算均采用考虑扭转耦联的计算方法。三、抗震计算理论§3.3

地震作用2/5/2023综合“新高规”和“新抗规”的有关规定，列出应进行弹性时程法进行多遇地震下补充计算的建筑结构如下：①7-9度时甲类高层建筑结构；②7-9度时符合“新高规”表3.3.4条件的高层建筑结构；③7-9度时不满足“新高规”关于竖向规则性要求的高层建筑结构；④7-9度时质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构。⑤B级高度和“新高规”第10章规定的复杂高层建筑结构。⑥特别不规则的多层建筑结构。三、抗震计算理论§3.3

地震作用2/5/20231、规范规定的反应谱曲线00.1Tg5Tg6.0T(s)设计反应谱四、设计反应谱§3.3

地震作用2/5/2023图中：—地震影响系数

—地震影响系数最大值

T—结构自振周期

Tg

—特征周期

—衰减指数

—直线下降段下降斜率调整系数

—阻尼调整系数四、设计反应谱§3.3

地震作用2/5/2023由图可见，α反应谱曲线由4部分组成：在T＜0.1s范围内，采用一条向上倾斜的直线，即采用线性上升段；在0.1sT≤Tg范围内，采用一水平线，即取α的最大值αmax；在Tg＜T≤5范围内，采用式①所示的曲线下降段；在5Tg＜7≤6.0s范围内，采用式②所示的直线下降段。但应注意，当T＞6.0s时，此设计反应谱已超出其适用范围，此时结构的地震影响系数应专门研究。①

；②四、设计反应谱§3.3

地震作用2/5/2023弹性反应谱理论仍是现阶段抗震设计的最基本理论，《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)的设计反应谱以地震影响系数曲线的形式给出，曲线制定时考虑了以下因素：⑴、设计反应谱周期延至6s。根据地震学研究和强震观测资料统计分析，在周期6s范围内，有可能给出比较可靠的数据，也基本满足了国内绝大多数高层建筑和长周期结构的抗震设计需要。对于周期大于6s的结构，抗震设计反应谱应进行专门研究。四、设计反应谱§3.3

地震作用2/5/2023⑵、理论上，设计反应谱存在两个下降段，即：速度控制段和位移控制段，在加速度反应谱中，前者衰减指数为1，后者衰减指数为2。设计反应谱是用来预估建筑结构在其设计基准期内可能经受的地震作用，通常根据大量实际地震记录的反应谱进行统计并结合工程经验判断加以规定。为保持规范的延续性，在T5Tg范围内与“89抗震规范”相同，在T5Tg的范围把“89抗震规范”的下平台改为倾斜段，不同场地类别的最小值不同，较符合实际反应谱的统计规律。在T等于6Tg附近，新的反应谱比89规范约增加15％，其余范围取值的变动更小。四、设计反应谱§3.3

地震作用2/5/20232、特征周期Tg与场地土、场地地震影响曲线上由最大值开始下降的周期称为场地特征周期Tg。Tg

愈大，曲线平台段愈长，长周期结构的地震作用将加大。场地特征周期Tg与场地和场地土的性质有关，也与设计地震分组有关。

场地划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类，场地类别综合考虑了场地土的性质。场地土是指场地范围内的地基土。四、设计反应谱§3.3

地震作用2/5/2023我国将场地土根据其剪切波速和场地土覆盖层厚度划分为四类：坚硬、中硬、中软和软弱。场地土愈软，软土覆盖层厚度愈大，场地类别就愈高，特征周期Tg就愈大，对长周期结构愈不利。 四、设计反应谱§3.3

地震作用2/5/2023设计地震分组在地球内部发生岩层断裂、错动的地方称为震源，震源正上方的地面称为震中，地向上某一点距震中的距离称为震中距。某一地区遭遇不同震级、不同的震中距(即不同震源)的地震而烈度相同时，对该地区不同动力特性的建筑物的震害并不相同。四、设计反应谱§3.3

地震作用2/5/2023一般而言，震中距较远、震级较大的地震对自振周期长的高柔结构的破坏比同样宏观烈度但震级较小、震中距较近的破坏要严重。考虑到这一差别，在确定地震影响参数时，用“设计地震分组”分为第一组、第二组、第三组。《规范》附录Ａ列出了我国抗震设防区各县级及县级以上城镇中心地区的分组。四、设计反应谱§3.3

地震作用2/5/2023高层建筑结构应按以下原则来考虑地震的作用：

①、一般情况下按建筑结构的两个主轴方向分别考虑水平地展作用并进行抗震验算；各方向的水平地震作用应全部由该方向抗侧力构件承担。②、质量与刚度不对称、明显不均匀，可能产生显著扭转的结构应考虑水平地震作用产生的扭转影响。五、地震作用一般计算原则§3.3

地震作用2/5/2023③、有斜交抗侧力结构时，应按各斜交方向分别进行验算。④、对于8度和9度的大跨度、长悬臂结构以及9度时的高层建筑，应考虑竖向地震作用，并与水平地震作用进行不利组合。五、地震作用一般计算原则§3.3

地震作用2/5/2023通过加速度反应谱将结构所受的最大地震作用通过反应谱转换成作用于结构的等效侧向荷载，然后根据这一荷载用静力分析方法，按ｘ、y两个方向分别求得结构的地震内力和变形。具体计算方法又分为反应谱底部剪力法和反应谱振型分解法两种方法。在少数情况下需采用弹性时程分析方法作补充计算。六、水平地震作用计算§3.3

地震作用2/5/20231、反应谱底部剪力法对于大量一般的多高层房屋结构，当满足如下条件时，可采用底部剪力法进行简化计算。这些条件是：建筑结构高度不超过40m，以剪切变形为主（房屋高宽比不超过4），质量和刚度沿高度分布比较均匀，以及近似于单质点体系的结构。六、水平地震作用计算§3.3

地震作用在上述条件下，结构的振动具有如下特点：①位移反应以基本振型(第一振型)为主；②基本振型的各质点位移接近直线。2/5/2023用底部剪力法计算地震作用时，将多自由度体系等效为单自由度体系，只考虑结构基本自振周期计算总水平地震力，然后再按一定规律分配到各个楼层。六、水平地震作用计算§3.3

地震作用2/5/2023结构底部总剪力标准值为式中：α1—相应于结构基本周期T1的地震影响系数值，由设计反应谱公式计算得到；

Geq—结构等效总重力荷载，Geq＝0．85GE；

GE—结构总重力荷载代表值，为各层重力荷载代表值之和。重力荷载代表值是指100％的恒荷载、50％—80％的楼面活荷载和50％的雪荷载之和。六、水平地震作用计算§3.3

地震作用2/5/2023等效地震荷载分布形式见下图HHi∆FnFnFiFEk六、水平地震作用计算§3.3

地震作用2/5/2023由等效地震荷载分布形式图可知：i楼层处的水平地震力Fi按下式计算：式中：为顶部附加地震作用系数。为了考虑高振型对水平地震力沿高度分布的影响，在顶部附加一集中水个力。六、水平地震作用计算§3.3

地震作用2/5/2023顶部附加水平力为Tg(s)T1＞1.4Tg≤0.350.08T1+0.070.35-0.550.08T1+0.01＞0.550.08T1-0.02基本周期T1≤1.4Tg时，高振型影响小，不考虑顶部附加水平力，即

=0；基本周期T1＞1.4Tg时,与Tg有关，见下表。六、水平地震作用计算§3.3

地震作用2/5/20232、振型分解反应谱法较高的结构，除基本振型的影响外，高振型的影响比较大，因此,一般高层建筑都要用振型分解反应谱法考虑多个振型的组合。一般可将质量集中在楼层位置，n个楼层为n个质点，有n个振型。在组合前分别计算每个振型的水平地震作用及其效应(弯矩、轴力、剪力、位移等)，然后进行内力与位移的振型组合。六、水平地震作用计算§3.3

地震作用2/5/2023结构计算模型分为平向结构及空间结构，振型组合也相应有两种方法：⑴、平面结构振型分解反应谱法⑵、空间结构振型分解反应谱法六、水平地震作用计算§3.3

地震作用2/5/2023按平面结构计算时，沿X、Y两个水平方向分别计算，一个水平方向每个楼层有一个平移自由度，n个楼层有n个自由度、n个频率和n个振型。平面结构的振型如下图所示。平面结构振型分解反应谱法六、水平地震作用计算§3.3

地震作用2/5/2023每个振型的等效地震力与上图给出的振幅方向相同，每个振型都可由等效地震力计算得到结构的位移和各构件的弯矩、剪力和轴力。因为采用了反应谱理论，由各振型的地震影响系数αi得到的等效地震力是振动过程中的最大值，其产生的内力和位移也是最大值，实际上各振型的内力和位移并不是同时达到最大值的，因此，不能简单地将各振型的内力和位移直接相加，而是通过概率统计将各个振型的内力和位移组合起来，这就是振型组合。六、水平地震作用计算§3.3

地震作用2/5/2023一般采用的方法是：先求出对应于每一振型的最大地震作用（同一振型中各质点地震作用将同时达到最大值）及其相应的地震作用效应，然后将这些效应进行组合，以求得结构的最大地震效应。因为总是前几个振型起主要作用，在工程设计时，只需要用有限个振型计算内力和位移。如果有限个振型参与的等效重量(或质量)达到总重量(或总质量)的90％，就已经足够精确了。六、水平地震作用计算§3.3

地震作用2/5/2023按空间结构计算时，每个楼层有两个平移、一个转动，即x、y、θ共三个自由度，n个楼层有3n个自由度、3n个频率和3n个振型，每个振型中各质点振幅有三个分量，当其两个分量不为零时，振型耦联。采用空间结构计算模型时，x、y两个水平方向地震仍然分别独立作用，但由于结构具有空间振型，如果振型耦联，每个方向地震作用会同时得到x、y方向及扭转效应。空间结构振型分解反应谱法六、水平地震作用计算§3.3

地震作用2/5/20233、时程分析法反应谱法因其计算简便，所以广泛为各国的《抗震规范》所采纳。但地震作用是一个时间过程，反应谱法不能反映结构在地震动过程中的经历，同时目前应用的加速度反应谱属于弹性分析范畴，当结构在强烈地震下进入塑性阶段时，用此法进行计算将不能得到真正的结构地震反应，也判断不出结构真正的薄弱部位。所以，可以采用时程分析法作补充计算。六、水平地震作用计算§3.3

地震作用2/5/2023所谓时程分析法，亦称直接动力法，又称动态分析法，是根据选定的地震波和结构恢复力特性曲线．采用逐步积分的方法对动力方程进行直接积分，从而求得结构在地震过程中每一瞬时的位移、速度相加速度反应，以便观察结构在强震作用下从弹性到非弹性阶段的内力变化以及构件开裂、损坏直至结构倒塌的破坏全过程。六、水平地震作用计算§3.3

地震作用2/5/2023时程分析法的计算工作量十分繁重，必须借助于计算机才能完成，费用较高且确定计算参数尚有许多困难，因此目前仅在高层建筑以及一些重要的、特殊的、复杂的结构的抗震设计中应用。我国《抗震规范》规定，对特别不规则的建筑、甲类建筑和下表所列高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算。烈度、场地类别房屋高度范围（m）8度Ⅰ、Ⅱ类场地和7度＞1008度Ⅲ、Ⅳ类场地＞809度＞60六、水平地震作用计算§3.3

地震作用2/5/2023注意：建筑物顶部突出的小塔楼（楼电梯间，烟囱等）刚度比主体结构小很多，会产生明显的鞭稍效应。计算时顶点附加水平力不再